Тросовая система в космосе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана)

Всероссийская олимпиада школьников "Шаг в будущее, Космонавтика"

Тросовая система в космосе

Автор: Кузнецов Леонид Иванович

Научный руководитель: Товарных Геннадий Николаевич

Введение

Проблемой проекта являются неизвестные характеристики, которым должен соответствовать трос, вплоть до материала, из которого он должен состоять, необходимый размер, длинна, ширина, высота расположения.

Целью проекта является исследование и расчёты необходимых характеристик. Доказать, что трос возможно и полезно использовать в космической промышленности. Доказать, что возможно провести трос от луны к земной орбите.

Задачей проекта является проведение расчётов относительно характеристик троса, его расположения и необходимого материала.

Что такое космическая тросовая система?

Космическая тросовая система - это комплекс искусственных космических объектов (спутников, кораблей, грузов), соединённых длинными тонкими гибкими элементами (тросами, кабелями, шлангами), совершающий орбитальный полет. В наиболее простом виде -это связка двух космических аппаратов, соединенных тросом длиной в десятки или даже сотни километров. Сложные тросовые системы могут иметь много космических объектов, соединенных тросами в форме замкнутых колец, древовидных образований, объемных многогранников. Космические тросовые системы - позволяют выполнять задачи, которые невозможно, нецелесообразно или неэкономично решать с помощью существующих средств космической техники.

Тросовые системы отличаются тремя основными особенностями от космических аппаратов традиционного типа. Первая - большая протяженность, обеспечивающая устойчивое вертикальное положение системы на орбите, причем на концах системы создается малая искусственная тяжесть. Соединенные тросом аппараты имеют недостаток или избыток орбитальной скорости, а их движение выполняется с одним периодом обращения на разных высотах. Вторая особенность - гибко изменяемая конфигурация, возможность изменения длины тросов путем их выпуска и втягивания.

Это позволяет регулировать взаимное положение и ориентацию аппаратов, присоединять и отцеплять другие объекты от тросов, передвигать по ним грузы. Третье отличие - активное взаимодействие электропроводного троса с внешней средой, в первую очередь, с магнитным полем и ионосферой Земли, обеспечивающее функционирование системы в генераторном, двигательном, электропередающем и излучающим режимах.

В зависимости от того, какая из этих особенностей преобладает у данной тросовой системы, какое свойство используется при эксплуатации, проекты таких систем можно разделить на три типа. У "статических" систем в процессе эксплуатации количество и длины тросов, количество и массы объектов, их взаимное положение и ориентация остаются постоянными. К третьему типу относятся "динамические" системы, существенно изменяющие количество и длину тросов, количество и массу объектов, их взаимное положение и ориентацию. "Электромагнитные" системы снабжены электропроводными изолированными тросами с плазменными контакторами на концах и активно взаимодействуют с магнитным полем и ионосферой Земли. космический трос спутник орбитальный

Как могут использоваться тросовые системы в космосе?

Статические тросовые системы могут использоваться в исследованиях дальнего космоса, околоземного пространства, атмосферы и поверхности Земли с помощью протяженных измерительных систем, датчиков геофизических полей, разнесенных или распределенных вдоль троса и опускаемых на тросе на низкие высоты атмосферных зондов. На космических аппаратах в составе таких систем можно проводить различные эксперименты и технические операции в специфических условиях микро гравитации и отсутствия собственной внешней атмосферы вокруг аппаратов. Используя архитектурный принцип построения тросовых систем, в космосе можно будет создавать сложные сооружения больших размеров, например, космические электростанции, поселения, заводы, оранжереи.

Динамические тросовые системы могут использоваться для выполнения орбитальных маневров космических аппаратов без затрат топлива - либо путем отведения аппарата на тросе с последующей его отцепкой, либо захватом и подтягиванием аппарата тросом. Например, если от орбитальной станции отвести вниз на тросе длиной около 50 км грузовой корабль и затем отделить его, корабль сойдет с орбиты на Землю не затрачивая на это ни капли топлива. На лифтах, движущихся по тросам, предполагается перемещать грузы и экипажи, а используя поворотную штангу с выходящим с конца тросом, ориентировать в пространстве висящий на тросе аппарат.

Электромагнитные тросовые системы могут вырабатывать за счет использования части кинетической энергии орбитального движения системы электроэнергию мощностью до 1 МВт. Электроэнергией, получаемой от бортового генератора, можно поддерживать или медленно повышать высоту орбиты тросовой системы без затрат топлива. Используя некоторые электродинамические эффекты, возможно с минимальными потерями передавать электроэнергию по длинному тросу между разнесенными космическими аппаратами. Трос в качестве передающей антенны позволяет осуществлять эффективное излучение радиоволн низкочастотных диапазонов - этот принцип найдет применение в глобальных системах космической связи.

Экспериментальный опыт.

В 1965 г. в РКК Энергия бывшая ЦКБМ под руководством С.П. Королева началась подготовка к первому в мире космическому эксперименту с тросовой системой. Разработанный проект Союз-ИТ предусматривал создание искусственной тяжести на космическом корабле Союз, соединённом километровым стальным тросом с последней ступенью ракеты-носителя, путем приведения этой связки во вращение.

Но после кончины С.П. Королева проект был закрыт, и работы по тросовым системам в РКК Энергия возобновились только через 20 лет. Таким образом, в середине 60-х гг. наша страна лидировала по работам в области космических тросовых систем. Для дальнейшего развития этих работ имелись все предпосылки и условия.

Однако в последующие годы из-за отсутствия заинтересованности руководства в продолжении этих разработок инициатива была перехвачена специалистами США. Начало работ в области тросовых систем за рубежом связано с именем итальянского ученого Дж. Коломбо, разработавшего в 60-70-х гг. совместно с работавшим в США итальянским России многочисленные проекты их практического применения в космосе и активно выступавшего за развитие такого направления

В рамках американо-японской программы в 1980-85 гг. были осуществлены четыре запуска на высоту 328 км зондирующих ракет. В ходе полета полезный груз удалялся на электропроводном тросе на 400 м. В первых двух экспериментах тросы удалось выпустить только на длину 30 м и 65 м. В двух последних - тросы были выпущены полностью, что позволило выполнить исследования электродинамики тросовой системы. В первом эксперименте отрабатывался без расходный спуск груза с орбиты, а во втором - развертывание тросовой системы в вертикальное положение. В 1993 г. также с использованием ракеты Дельта-2 проведен эксперимент PMG с электропроводным тросом длиной 500 м, позволивший исследовать некоторые эффекты электродинамики данной системы.

Лифт Луна-точка либрации.

В исследовательской части своего проекта предлагаю протянуть трос от луны до точки либрации и использовать его как лифт. Трос будет начинаться от лунной поверхности и будет проходить первую точку либрации где превалирующие силы тяжести земли и луны, будут друг друга уравновешивать, где сила тяжести будет ровна нулю. Здесь будет заканчиваться первый сегмент троса, который будет притягиваться гравитацией луны, на этой части троса будет располагаться мощная электростанция на солнечных батареях, которая будет питать трос электричеством необходимый для движения лифта и работы экипажа. Пройдя первую точку либрации, будет начинаться второй сегмент троса который будет притягивать сила земного притяжения, эта часть протянется к земле, точнее к её орбите. На конце троса будет располагаться станция, которая будет встречать грузы и отправлять их на лифте на Луну или отцеплять и отправлять на землю. (рис. I)

Расчёт Длинны троса.

Для начала необходимо найти расстояние до первой точки либрации, для этого запишем второй закон Ньютона:

В ходе преобразования (m) сокращается. Дальше выводим рабочую формулу для R1 и находим расстояние от поверхности луны до первой точки либрации:

В ходе не сложных математических и вычислений мы получаем

Rс=58250 км. R2=R - Rс=384467 - 58250=326217км.

Расчёт необходимого материала.

Выделим участок троса минимальной dr длины и распишем силы, действующие на него по второму закону Ньютона (рис. II): где:

,

Выразив dT, получим:

с другой стороны:

следовательно, выражение примет вид:

Таким образом, сила натяжения троса будет равна сумме элементарных натяжений:

,

Откуда

,

Вычислим . Расстояние можно определить из приближённого соотношения

,

где

.

Тогда

,

Произведя интегрирование, получим:

исходя из последнего выражения мы получаем

Дополнительные значения взяты из таблицы (рис III). Подставляем полученные значения

.

Выбираем материал для троса из условия:

В данном случае мы выбираем углеродные нано трубки, необходимая информация приведена на (рис. III).

,

или ,

где - допустимое напряжение

пусть (n=5)

Таким образом мы нашли допустимое значение К-разрушения для троса длинной 377557км в данном случае это расстояние нам не подходит, но при меньшей длине троса где К будет равно меньшему значению. Но если мы изменим конфигурацию троса относительно его параметров в таком случае допустимое значение разрушения будет больше значения полного разрушения.

Выводы

В ряде приведённых выше вычислений доказано:

1) Что вполне возможно установить трос на луне и протянуть его до около земной орбиты.

2) При вычислении была найдена уточка Лагранжа и общая длинна троса необходимая для рентабельной эксплуатации троса.

3) Также выведена формула для расчёта дополнительных характеристик троса, а точнее его необходимого коэффициента прочности троса при заданной длине. Найден необходимый материал троса.

4) Данный проект требует дополнительного исследования, после поступления и окончания МГТУ им. Н.Э. Баумана, я планирую продолжать заниматься этим проектом и его исследованием.

Список литературы

1. http://dyna15.narod.ru/kts/history.htm

2. http://allrefs.net/c30/229vb/

3. http://www.docme.ru/doc/167720/trosovye-sistemy-v-kosmose

4. Куликовский П.Г. Справочник любителя астрономии. -М., 1997 г.

5. Энциклопедия "Космонавтика". -М., 1985 г.

6. http://www.cosmos-journal.ru/elements/%D0%93%D0%B5%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%B0%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BE%D1%80%D0%B1%D0%B8%D1%82%D0%B0/

7. Труды XXX Академических чтений по космонавтике. Москва, январь 2006 г.

Приложение

Размещено на Allbest.ru